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光探測(cè)和測(cè)距（激光雷達(dá)）最初概念化于20世紀(jì)30年代，與無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距（雷達(dá)）幾乎同時(shí)出現(xiàn)。然而，直到20世紀(jì)60年代激光器出現(xiàn)后，該技術(shù)才得到驗(yàn)證，隨后幾年，光通信的發(fā)展導(dǎo)致激光器和光調(diào)制技術(shù)取得了重大進(jìn)步。

2008年，個(gè)商用激光雷達(dá)系統(tǒng)（最初稱為“光學(xué)雷達(dá)”）在沃爾沃乘用車上亮相。這項(xiàng)突破性技術(shù)為自動(dòng)緊急制動(dòng)(AEB)系統(tǒng)之一提供動(dòng)力，使車輛能夠自動(dòng)制動(dòng)以防止或減輕追尾碰撞。

繼15年前早期推出（隨后被雷達(dá)取代，作為AEB的更便宜替代品）之后，高分辨率激光雷達(dá)迅速發(fā)展成為自動(dòng)駕駛汽車計(jì)劃的關(guān)鍵高分辨率傳感器，并培育了多種技術(shù)創(chuàng)新且資金充足的初創(chuàng)企業(yè)。該技術(shù)提供更遠(yuǎn)的范圍、的分辨率和車輛周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)3D可視化，現(xiàn)已日趨成熟，成為一種重要的傳感器模式，不僅適用于自動(dòng)駕駛，而且還可以補(bǔ)充乘用車的高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)和商業(yè)船隊(duì)。

激光雷達(dá)傳感器發(fā)射紅外光譜中的光子來(lái)檢測(cè)并創(chuàng)建周圍環(huán)境的3D圖像。事實(shí)證明，它們?cè)谄噾?yīng)用中非常受歡迎。與雷達(dá)相比，激光雷達(dá)的主要優(yōu)點(diǎn)是所使用的光具有非常短的波長(zhǎng)，這使得能夠進(jìn)行精確的測(cè)量。此外，與攝像頭相比，激光雷達(dá)可以在任何照明條件下工作，并且具有更好的檢測(cè)范圍。激光雷達(dá)傳感器捕獲的數(shù)據(jù)可以視為“點(diǎn)云”（見圖1）。

開發(fā)激光雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)需要考慮很多事情，例如使用什么波長(zhǎng)、掃描方法以及如何處理干擾。然而，系統(tǒng)要做的決策是如何地檢測(cè)返回的光子。有兩個(gè)主要競(jìng)爭(zhēng)者，即直接檢測(cè)與相干檢測(cè)。

直接檢測(cè)

在直接檢測(cè)系統(tǒng)中，發(fā)射激光脈沖，有效地啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。當(dāng)接收到激光脈沖的回波時(shí)，它會(huì)停止，并根據(jù)經(jīng)過(guò)的時(shí)間計(jì)算距離。

對(duì)于長(zhǎng)達(dá)約50m的距離，不需要高質(zhì)量的可調(diào)諧單模激光器（因?yàn)樗皇窃诙虝r(shí)間內(nèi)壓縮大量光子的源）或調(diào)制，從而簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路。也不需要精密光學(xué)器件來(lái)補(bǔ)償波前畸變。

為什么射程短？隨著照明面積隨著距離的增加而增加，返回功率也會(huì)減少（作為距離的平方）。這種損耗是無(wú)法避免的，因此的解決方案是傳輸更多功率或提高接收器靈敏度。

注：計(jì)算公式為：返回功率約等于發(fā)射功率x（目標(biāo)面積/照射面積）x（接收面積/（πx范圍2））

然而，可以使用的激光功率是有限的。強(qiáng)烈的近紅外(IR)光（800至1400ηm）會(huì)損害人類視力。簡(jiǎn)單地增加ADAS或自動(dòng)駕駛汽車應(yīng)用中近紅外光的傳輸功率會(huì)對(duì)其他道路使用者和行人造成危險(xiǎn)。

為了提高接收靈敏度，可以使用更大面積的接收透鏡來(lái)增加光子收集。此外，還可以使用雪崩光電二極管（APD，具有固有增益的光電二極管），盡管它們往往價(jià)格昂貴、易碎且體積?。ㄟ@使系統(tǒng)光學(xué)進(jìn)一步復(fù)雜化），并且在自生噪聲變得之前只能提供約15倍的增益。一個(gè)問(wèn)題。其他傳感器類型，例如蓋革模式雪崩光電探測(cè)器(GMAPD)??和單光子雪崩探測(cè)器(SPAD)，在直接探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)中提供更好的靈敏度，但在多雪、多塵或有霧的環(huán)境中效果不佳。

此外，所有檢測(cè)系統(tǒng)都需要某種形式的干擾緩解措施。無(wú)論是雷達(dá)還是激光雷達(dá)，系統(tǒng)都需要知道接收器正在接收的信號(hào)（無(wú)論是脈沖無(wú)線電波還是光子）來(lái)自發(fā)射器。干擾問(wèn)題在脈沖汽車?yán)走_(dá)的早期就已經(jīng)出現(xiàn)。一旦很多汽車都配備了雷達(dá)，相互干擾就成了問(wèn)題。的解決方案是改用相干檢測(cè)技術(shù)，其中雷達(dá)系統(tǒng)主要采用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW-見下文）。

直接檢測(cè)激光雷達(dá)的另一個(gè)限制是它不直接測(cè)量每點(diǎn)速度-相反，必須通過(guò)確定范圍如何隨時(shí)間變化（即比較多個(gè)后續(xù)幀）來(lái)計(jì)算，這可能會(huì)損害系統(tǒng)響應(yīng)能力。

相干檢測(cè)和FMCW

這涉及將入射光與透射光樣本混合，這樣做有兩個(gè)主要好處。首先，可以通過(guò)相長(zhǎng)干涉（即接收信號(hào)乘以發(fā)射信號(hào)）實(shí)現(xiàn)光子增益的無(wú)噪聲放大，從而使系統(tǒng)能夠利用極低功率的激光器實(shí)現(xiàn)出色的靈敏度。其次，混合發(fā)送和接收信號(hào)使激光雷達(dá)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的選擇性，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)不相同的光（例如陽(yáng)光或來(lái)自相鄰激光雷達(dá)系統(tǒng)的光）會(huì)被簡(jiǎn)單地忽略。

實(shí)現(xiàn)相干檢測(cè)LiDAR系統(tǒng)的方法有多種，但的是調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)調(diào)制。

在實(shí)踐中，激光以頻率上下掃描以產(chǎn)生鋸齒形輪廓（頻率與時(shí)間），從中可以得出距離和速度；關(guān)于后者，請(qǐng)考慮多普勒效應(yīng)。

盡管比直接檢測(cè)系統(tǒng)更復(fù)雜，但FMCW激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)很多。例如，如上所述，返回信號(hào)乘以從發(fā)射源（本地振蕩器）獲取的樣本。由于激光雷達(dá)的路徑損耗很高，即使只有百分之幾的LO也會(huì)比返回信號(hào)大得多。信號(hào)放大量非常高，但于相同波長(zhǎng)的信號(hào)，這導(dǎo)致高光子效率。

例如，用小于200mW的激光功率就可以實(shí)現(xiàn)約300m范圍的FMCW激光雷達(dá)系統(tǒng)。對(duì)于相同的范圍，類似的直接檢測(cè)系統(tǒng)需要1000倍的峰值功率。值得注意的是，F(xiàn)MCW是其他領(lǐng)域激光雷達(dá)的核心；例如，范圍可達(dá)數(shù)公里的光學(xué)測(cè)高儀器和范圍超過(guò)500m的用于風(fēng)表征的激光多普勒激光雷達(dá)儀器。

相干激光雷達(dá)的另一個(gè)好處是信號(hào)鏈的帶寬相當(dāng)?shù)?。如果我們考慮圖3中的波長(zhǎng)（其中激光從1550.002掃描到1550ηm），光電二極管帶寬可以限制在幾百M(fèi)Hz。直接檢測(cè)系統(tǒng)需要盡可能寬的帶寬（通常超過(guò)2GHz），以便解析接收脈沖的前沿。

可以理解的是，較窄的帶寬允許在光電二極管上使用較低噪聲的互阻抗放大器和較慢的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

最后，相干檢測(cè)提供每點(diǎn)速度信息。每點(diǎn)速度的好處在于，它是后續(xù)感知系統(tǒng)在解釋激光雷達(dá)（和其他傳感器）數(shù)據(jù)時(shí)可以使用的附加上下文度量，從而有可能做出更明智的決策。

因此，相干檢測(cè)的各種好處是顯著的，但相干激光雷達(dá)也并非沒(méi)有挑戰(zhàn)。

激光器必須能夠在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持其相位完整性，以便其光線到達(dá)最遠(yuǎn)的目標(biāo)并從最遠(yuǎn)的目標(biāo)返回。如果激光的相位在傳輸時(shí)間內(nèi)發(fā)生很大變化，則可能會(huì)失去相干性，并可能導(dǎo)致距離測(cè)量模糊。此外，它必須是調(diào)頻的（在FMCW的情況下）。大多數(shù)二極管激光器都無(wú)法勝任這項(xiàng)任務(wù)，但商業(yè)市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了一些半導(dǎo)體可調(diào)諧激光器。

此外，并非所有掃描機(jī)制都與相干檢測(cè)兼容。接收器需要觀察每個(gè)點(diǎn)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以允許光到達(dá)并從盡可能遠(yuǎn)的目標(biāo)返回，因?yàn)榉祷匦盘?hào)需要與傳輸信號(hào)混合。例如，300m的范圍要求掃描機(jī)構(gòu)保持靜止至少2μs，但許多連續(xù)移動(dòng)的掃描機(jī)構(gòu)無(wú)法做到這一點(diǎn)。

最后，必須指出的是，相干激光雷達(dá)的信號(hào)處理任務(wù)明顯大于直接檢測(cè)。幸運(yùn)的是，半導(dǎo)體制造商已經(jīng)推出了功能強(qiáng)大的片上系統(tǒng)(SoC)產(chǎn)品，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、微控制器和DSP與FFT加速器集成在一起，以滿足這些信號(hào)處理需求。

概括

不同的激光雷達(dá)應(yīng)用受益于不同的設(shè)計(jì)方法。如前所述，在空中地面勘測(cè)等需要超遠(yuǎn)距離且激光雷達(dá)系統(tǒng)相互干擾或傷害人眼的風(fēng)險(xiǎn)很小的應(yīng)用中，高功率脈沖直接探測(cè)可以很好地發(fā)揮作用。

然而，對(duì)于ADAS和自動(dòng)地面車輛等需要<1公里范圍的應(yīng)用，并且很可能部署其他潛在干擾的激光雷達(dá)系統(tǒng)，相干檢測(cè)（尤其是FMCW）具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)。這些包括抗干擾性（包括太陽(yáng)能）、高信噪比（在惡劣天氣條件下很重要）、本地高精度速度檢測(cè)（為感知系統(tǒng)提供附加信息）以及易于系統(tǒng)修改。由于這些原因，考慮到多種用例，特別是下一代汽車傳感，相干激光雷達(dá)檢測(cè)越來(lái)越受到歡迎。